上海市地下水應急水源地規(guī)劃戰(zhàn)略研究

張月萍，劉金寶，俞俊英

(1.上海市水文總站，上海 200232;2.上海市地質調查研究院，上海 200072)

現(xiàn)階段城市安全供水存在一定隱患，尤其在遭受戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、地震、海嘯、火災、潮災、旱災、水質污染及公共衛(wèi)生事件、大面積長時間停電等突發(fā)性災難導致城市自來水供水水源遭受嚴重破壞無法正常供水時，該問題尤為突出。

解決城市應急狀態(tài)時的供水問題，是一項關系到國計民生的大事，一定程度上左右著城市的階段性發(fā)展，而優(yōu)質、豐富的地下水資源，具有易保護、易儲存、不易受污染等特點，是應急狀態(tài)下最為理想的供水水源。因此，地下水應急水源地作為緊急啟用的暫時性后備供水水源地，涉及到城市的供水安全問題，不容忽視［1－2］。

上海作為國際大都市，地處東海之濱，黃浦江、長江等地表水作為自來水水源，但現(xiàn)階段存在較為嚴重的污染現(xiàn)象，目前上海已進入水質型缺水城市行列，更應重視城市地下水應急水源地建設。區(qū)內地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質中，其次賦存于碎屑巖類孔隙、碳酸鹽巖類裂隙溶洞和基巖裂隙中，地下水的賦存與分布受控于區(qū)域地貌、地層巖性、厚度及地質構造等因素。松散巖類孔隙水是區(qū)內主要的地下水類型，蘊含豐富的地下水資源，按其成因類型、時代、礦化度和水化學類型，以及彼此間的水力聯(lián)系密切程度，可將松散巖類孔隙水劃分為各具特點的三個含水巖組和七個含水層。分別為全新統(tǒng)潛水含水巖組，包括潛水含水層和微承壓含水層;中、上更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第一、二、三承壓含水層;以及下更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第四、五承壓含水層［3］。其中第二、三、四、五承壓含水層中大量淡水資源分布區(qū)，具有集中開采價值，可作為供水水源，是地下水應急水源地建設主要考慮地區(qū)。

1 地下水應急水源地規(guī)劃

1.1 地下水應急水源地調查

根據(jù)應急供水的需求類型、地理位置、城市規(guī)劃功能區(qū)，上海市應急水源地建設規(guī)劃可分為三大類:

第一類為島嶼，該地區(qū)因特殊地理位置，規(guī)劃重點是應對以咸潮時間過長、地表水源受污、發(fā)生嚴重干旱等事件為主的應急地下水供水水源地，重點解決分散島嶼居民的生活用水和部分特殊工業(yè)用水，水源地供水時間相對較長。該地區(qū)第五含水層具備應急水源地建設水量與水質條件。

第二類是城市重點地區(qū)，主要指中心城，規(guī)劃重點是確定大(中)型應急地下水水源地，以應對各種可能發(fā)生的供水中斷或不足的危機。重點解決緊急狀態(tài)下城市居民的生活用水和特殊工業(yè)用水。對這類水源要求供水量大、集中，供水時間較短。該地區(qū)第二、三、四、五含水層具備應急水源地建設水量與水質條件，局部地區(qū)第二、三含水層為微咸水。

第三類為城市規(guī)劃新城區(qū)，規(guī)劃重點是應對各種原因引發(fā)的應急供水事件，建立中小型應急供水水源地。重點是解決中小城鎮(zhèn)居民生活用水。該地區(qū)第二、三、四、五含水層除基巖殘丘地區(qū)或古潛山淺埋地區(qū)基本缺失外其余地區(qū)廣泛發(fā)育，但地下水質量在不同地區(qū)差異較大，但地下水質量在不同地區(qū)差異較大，有一層或多層地下水滿足應急地下水水源質量和供水量要求。

1.2 地下水應急水源地圈定

根據(jù)上述不同區(qū)域人口分布、地區(qū)重要性、地下水開采現(xiàn)狀與規(guī)劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結合、大型(日取水量大于等于5萬 m3)和中型(日取水量界于1～5萬 m3)相結合的地下水應急水源地，共14處應急水源地，分布于上述三類主要地區(qū)(表1)。

表1 含水層地下水應急水源地一覽表

中心城為城市人口密集、工程建設程度強烈、地面沉降重點防治地區(qū)，地下水應急水源地建設充分利用中心城現(xiàn)有供水管路及現(xiàn)有取水設施，滿足應急狀態(tài)下城市經濟建設順利開展、大量居民正常供水，圈定為大型地下水應急水源地。

三島地理位置相對獨立，考慮應急狀態(tài)下取水便捷，并能充分利用各島現(xiàn)有供水管路及現(xiàn)有取水設施，分別圈定崇明島重點發(fā)展的城橋新城、陳家橋新城，長興島、橫沙島為中型地下水應急水源地。

其余分散分布于寶山、嘉定、青浦、松江、奉賢、南匯、金山等郊區(qū)重點發(fā)展的新城區(qū)，將形成產業(yè)發(fā)展的新型都市，人口密集，一旦出現(xiàn)供水問題，將在短時間內需要大量的水資源，來滿足經濟發(fā)展、受災人口的生活用水所需，這些重點發(fā)展的新城區(qū)同樣圈定為中型應急水源地。

2 應急供水方案制定

2.1 地下水環(huán)境容量

應急供水方案除考慮人口、經濟要素外，還應考慮到區(qū)域地質環(huán)境的承受能力，開采后是否產生嚴重的地面沉降問題(或應急期間有產生嚴重次生災害的可能)，與地下水環(huán)境容量密切相關，因此在制定應急供水方案前首先要確定地下水環(huán)境容量。

由此建立了三維變系數(shù)地下水滲流－一維地面沉降非線性耦合數(shù)學模型，考慮土體的粘彈塑性變形特征，采用適應上海大區(qū)域三維問題求解的多尺度有限元法對研究區(qū)數(shù)值模型進行求解［4］。在此基礎上應用“臨界水位”研究成果［5］，設定地面沉降與地下水位約束條件，第二、三、四、五承壓含水層最低地下水位分別不低于 －3 m、－5 m、－20 m、－25 m，地面沉降速率不大于5 mm/a，考慮水質問題，采用罰函數(shù)法與變尺度法相結合的途徑進行優(yōu)化反演分析，得出現(xiàn)階段地下水環(huán)境容量總量為2 500萬 m3/a，并對現(xiàn)階段的開采布局進行了優(yōu)化［6］。

2.2 應急供水方案

在地下水環(huán)境容量前提下，結合上述不同區(qū)域人口分布、地區(qū)重要性、地下水開采現(xiàn)狀與規(guī)劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結合、大型(日取水量大于等于5萬 m3)和中型(日取水量界于1～5萬 m3)相結合的地下水應急水源地(表2)。

3 環(huán)境地質問題預測評估

在應急供水情況下，以確保應急供水量為主要目的，但由于短時間內集中、高強度的地下水開采，可能產生一定程度的地面沉降，為及時了解應急開采地下水過程中地面沉降發(fā)展趨勢，避免應急供水期間因產生嚴重的地面沉降而引發(fā)其它次生災害或使影響程度盡可能地降低至最小限度，需對應急供水情況下可能引起的環(huán)境地質問題進行預測評估。

利用上述建立的地面沉降數(shù)學模型，對應急開采方案下的地面沉降進行預測。以采用上述應急開采方案開采90天為例，地面沉降預測分布情況如圖1所示。中心城應急水源地因應急開采量為其它水源地的10倍，產生的地面沉降現(xiàn)象比較明顯，且呈微量增加態(tài)勢。金山新城應急水源地，因含水層水文地質條件相對較差，且其東部基巖隆起含水層側向補給條件明顯削弱，補給條件較差，易產生地下水位下降及地面沉降?；菽闲鲁恰⑴R港新城、松江新城、青浦新城、浦東國際機場、奉賢海濱農場區(qū)，在實施應急開采方案后，有微量的地面沉降產生，并隨著時間的推移， 下降趨勢不甚明顯。其余應急水源地地面沉降現(xiàn)象總體不甚明顯。

表2 水源地應急供水方案一覽表

4 結語

在城市發(fā)展過程中，應急水源地建設至關重要，關系到人民生命安全和社會安定團結，通過上海市地下水應急水源地規(guī)劃戰(zhàn)略研究，得出如下結論:

(1)在地下水應急水源地調查基礎上共圈定了14個地下水應急水源地，圈定的大型、中型地下水應急水源地數(shù)量及布局合適。

(2)制定的應急供水方案考慮了地下水環(huán)境容量的限制，并對可能產生的環(huán)境地質問題及可能進一步引發(fā)的次生災害進行了預測分析，注重地下水可持續(xù)開發(fā)利用，避免因地下水的過度開采造成含水層的破壞或不可恢復。

［1］史正濤，劉新有.城市水安全與應急水源地建設——以昆明市為例［J］.城市問題，2008，2:24～28.

［2］葉勇，謝新民，柴福鑫等.城市地下水應急供水水源地研究［J］.水電能源科學，2010，28(1):47～49.

［3］魏子新，楊桂芳，俞俊英.上海市承壓含水層系統(tǒng)應力－應變特征及地面沉降防治對策［J］.中國地質災害與防治學報，2005，16(1):5～8.

［4］薛禹群，葉淑君，謝春紅，張云.多尺度有限元法在地下水模擬中的應用［J］.水利學報，2004，7:7～13.

［5］魏子新.上海市第四承壓含水層應力應變 －分析［J］.上海地質，2002(1):1～4.

［6］劉金寶，張月萍，吳建中.上海地下水環(huán)境容量評價及在地面沉降控制中的應用［J］.上海地質，2010(4):24～28.